凯发游戏娱乐官网PLC在数控机床控制系统中应用

原创 2020-07-26 02:41  阅读

  PLC在数控机床控制系统中应用_机械/仪表_工程科技_专业资料。PLC 在数控机床控制系统中应用 部门: xxx 时间: xxx 制作人:xxx 整理范文,仅供参考,可下载自行修改 题目 PLC 在数控机床控制系统中的应用 班级 学生姓名 实习单位 指导老师

  PLC 在数控机床控制系统中应用 部门: xxx 时间: xxx 制作人:xxx 整理范文,仅供参考,可下载自行修改 题目 PLC 在数控机床控制系统中的应用 班级 学生姓名 实习单位 指导老师 日期 PLC 在数控机床控制系统中的应用 摘要:近年来,PLC 在工业自动控制领域应用愈来愈广,它在 控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它 工控产品难以比拟的。随着 PLC 技术的发展, 它在位置控制、过程 控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生 产过程中,为了提高数控机床加工的精度,对其定位控制装置的选 择就显得尤为重要。永宏 FBs 系列 PLC 的 NC 定位功能较其它 PLC 更 精准,且程序的设计和调试相当方便。b5E2RGbCAP 本文提出的是如何应用永宏 PLC 的 NC 定位控制实现机床数控 系统控制功能的方法来满足控制要求,在实际运行中是切实可行 的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可 靠性高、抗干扰能力强,具有良好的性能价格比等显著优点,其软 硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。 p1EanqFDPw 关键词:PLC;数控机床控制系统;应用;维护 前言 可编程序控制器PLC)主要以计算机的微处理器为基础,综合计算 机的应用技术、通讯技术以及自动控制技术而发展起来的一种通用 控制器。虽然 PLC 由较为复杂的微处理器组成,但是在实际应用过 程中,完全不必了解微处理器的内部结构。最初,PLC 还仅是作为 继电器接触器控制系统的替代品,而自从进入数控机床控制系统领 域后,凸显了其独有的优越性,以其自身强大的抗干扰能力、自诊 断功能等,提高了数控机床控制系统的可靠性,基本解决了普通继 电器及接触器中常见的故障问题,经过调试后可长期安全可靠地运 行。DXDiTa9E3d 本文将对 PLC 的特点、基本工作过程、机床数控特点原理、在 数控机床控制中的应用等问题进行分析与阐述。 第 1 章 可编程序控制器PLC)的特点 1.1 体积小重量轻 超小型的 PLC 底部尺寸<100mm,重量<150g,其功耗仅为数 瓦。由于其体积小,很容易装入机械中,便于机电一体化的实 现。 RTCrpUDGiT 1.2 实 用 性 普 遍 PLC 可适用于各种规模的电气控制场合,除了基本的逻辑处理功 能之外,当前大多 PLC 具有数据运算能力,并可应用于数字控制领 域中。近年来,PLC 的功能日益完善,PLC 的应用已经普遍到温度控 制 、 位 置 控 制 及 CNC 等 多 个 控 制 领 域 。 1.3 抗 干 扰 能 力 强 由于 PLC 采用了现代化的大规模集成电路技术,在内部电路、生 产工艺等方面均采取先进的抗干扰处理技术,具有较高的可靠性。 另外,PLC 还自备硬件故障自动检测功能,一旦出现故障即可发出 警报。在软件应用中,应用者还可编入外围器件的自诊断故障程 序,让系统中出了 PLC 之外的电路与设备也能获得自我保护功 能 。 1.4 应用简单、普遍 PLC 作为直接面向企业的工控设备,具有接口容易、编程语言易于 被工程技术人员接受并理解等特点,尤其图形符号及梯形图语言、 表达方式等与继电器电路图基本类似,只需通过 PLC 的少量开关量 逻辑控制指令就能熟练实现在电气控制中的应用。 1.5 维护与改造方便 PLC 通过存储逻辑替代了接线逻辑,减少了控制设备外在的接 线,极大减少了控制系统设计和建造的时间,凯发游戏娱乐官网,为后期维护提供了方 便,同时程序较易改变,可极快应用于生产过程的改变。 第 二 章 可 编 程 序 控 制 PLC ) 的 基 本 工 作 过 程 PLC 及相关外围设备的设计原则应满足“与工业控制系统为一个整 体、方便功能扩展”,所有的电气控制系统的实现都是根据工艺要 求,最终提高生产效率及产品质量。因此,在设计 PLC 控制系统 时,应满足被控对象的基本要求,并对实际工作现场进行研究、收 集资料,并实现设计人员与操作人员的密切配合,共同拟定可操作 方案,对可能潜在的问题进行共同分析、共同解决。并在满足各方 控制要求的前提下,考虑控制系统的简单性与经济性,方便后期的 使用及维修,并确保电气控制的安全性、稳定性。PLC 在电气控制 中的基本工作过程为: 1)现场信息的输入:在系统软件的控制下,按照顺序对输入 点进行扫描,并读取输入点的状态。 2)程序的执行:对用户程序中的指令按顺序扫描,并根据输 入的状态及指令进行逻辑性运算。 3)控制信号的输出:根据以上逻辑运算的结果,输出状态寄 存器向各个输出点同时发出相应的信号,以实现所需的逻辑控制功 能 。 以上过程完成后,再重新开始,并反复执行,每执行一次即完 成一个扫描周期。 在实际应用时,很多机械设备的工作流程可分 为一系列不断重复的顺序动作,而 PLC 的工作程序恰与其相似,因 此 PLC 程序能很好地与机器动作相对应,且程序的编制简单、直 观,易于修改,减少了开发软件的费用,并缩短软件开发周 期。 5PCzVD7HxA 第三章 数控机床 3.1 数控机床组成结构及工作过程 本例数控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服 系统、检测反馈装置和机床主机等组成,如图 1 所示。 jLBHrnAILg 图 1 数控机床组成机构图 输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初 期,输入装置为穿孔纸带,现已趋于淘汰。目前,使用键盘、磁盘 等,大大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数(含机床正 常、理想工作状态下的原始参数,故障诊断参数等,一般在机床刚 工作状态需输出这些参数作记录保存,待工作一段时间后,再将输 出与原始资料作比较、对照,可帮助判断机床工作是否维持正常。 数控装置是数控机床的核心与主导,完成所有加工数据的处理、计 算工作,最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的 电路,各种接口电路、CRT 显示器等硬件及相应的软件。可编程控 制器对主轴单元实现控制,将程序中的转速指令进行处理而控制主 轴转速。管理刀库,进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用 次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理。控制主轴正反转和停 止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作。还 对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等进行控制。对 输出信号(刀库、机械手、回转工作台等进行控制。检测反馈装置 由检测元件和相应的电路组成,主要是检测速度和位移,并将信息 反馈于数控装置,实现闭环控制以保证数控机床加工精度。数控机 床的工作过程如图 2 所示。 xHAQX74J0X 图 2 数控机床的工作过程框图 数控加工的准备过程较复杂,内容多,含对零件的结构认识、工艺 分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装及使用方法等。 机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量 刀位、机床各部位状态等多项工作内容。程序调试主要是对程序本 身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。试切加工则是对零 件加工设计方案进行动态下的考察,而整个过程均需在前一步实现 后的结果评价后再作后一步工作。试切成功后方可对零件进行正式 加工,并对加工后的零件进行结果检测。前三步工作均为待机时 间,为提高工作效率,希望待机时间越短越好,越有利于机床合理 使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价(即机床实动率。 LDAYtRyKfE 3.2 机床数控系统需要解决的几个问题 机床是由机械和电气两部分组成,在设计总体方案时应从机电 两方面来考虑机床各种功能的实施方案,数控机床的机械要求和数 控系统的功能都很复杂,所以更应机电沟通,扬长避短。机床控制 系统选件、装配、程序编制及操作都应该比较合理,精度和稳定性 都必须满足使用要求。同时为便于调试和检修,各项操作均设手动 功能,如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关 等。PLC 按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作,另外还有与 顺序、时序无关的按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制,PLC 发 展成了取代继电器线路和进行顺序控制的主要产品,在机床的电气控 制中应用也比较普遍。 Zzz6ZB2Ltk 在实际控制中如何既能提高定位速度,同时又能保证定位精度 是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。精度是机床必须保证 的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定 了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为 了保证有足够的位置精度,一方面是正确选择系统中开环放大倍数 的大小,另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环 控制系统中,对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区 分出来的,反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作 用。高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。当现场 条件发生变化时,系统的某些控制参数必须能作相应的修改,为满 足生产的连续性,要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽 管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数,但编程器一般不能 交现场操作人员使用。所以,应考虑开发其他简便有效的方法实现 PLC 的可变控制参数的在线修改。另外为了防止电压过高损坏 PLC, 电源输入端加上压敏电阻。为了防止过热, PLC 不许安装在变压器 等发热元件的正上方,变频器与 PLC、伺服驱动器等保持一定距 离。在元件间留有适当的空隙,以便散热,并且在配电箱上安装风 扇降温。此外,为保证控制系统的安全与稳定运行,还应解决控制 系统的安全保护问题,如系统的行程保护、故障元件的自动检测 等。dvzfvkwMI1 第四章在数控机床控制中的应用 4.1 永宏 FBs 系列 PLC 的 NC 机床定位伺服控制系统分析 数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备,提高数控机床的可 靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一, 其定义为:产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的概率。 对数控机床来说,这里的功能主要指数控机床的使用功能,例如数 控机床的各种机能,伺服性能等。数控机床的功能部件对机床的功 能扩展和性能的提升起着极为重要的作用,因此,它不同于一般配 套件和附件的选用,不仅须与数控机床的整体结构谐和协调,融入 整机系统具有最佳的匹配性能,而且还能很好地彰显出该数控机床 的个性化特征。用于高速化的数控系统不能仅是提高数据处理能 力,而是应具备热误差补偿单元以及能实现速度前瞻控制、位置环 前馈控制和加减速平稳控制等先进控制技术的功能。所以必须选择 稳定可靠的控制单元才能保证数控机床正常高效运行。 鉴于以上各项要求,笔者采用台湾永宏电机股份有限公司的 FBs-44 MN PLC 作为该机床控制主单元,该型机具有较高的性价比,体积 小,使用起来非常方便,接线简捷。其编程软件 WinProladder 有梯 形图大师之称,易学易用且功能强大,编辑、监视、除错等操作非 常顺手,按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引,使 编辑、输入效率倍增。同时配以人机界面进行程序参数修改、设定 以及运行状态显示监控,可编程设置人机界面的内容。该控制系统 具有可靠性高,价格便宜,结构紧凑等特点,非常适合机床的控制 要求,具体控制思路如图 3 所示。 rqyn14ZNXI 图 3 采用永宏 PLC FBs-44MN 的 NC 机床定位电气控制系统图 可编程逻辑控制器是该机床各项功能的逻辑控制中心,集成于数控 系统中,主要是指控制软件的集成化,而 PLC 硬件则在规模较大的 系统中往往采取分布式结构。由图 3 可以看出,系统控制中心采用 永宏 PLC FBs-44MN 控制,并配以人机界面进行程序参数修改、设 定,以及运行状态显示监控,可编程设置人机界面的内容。三轴均 为全数字交流伺服系统,各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠, 以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头,其定位准确,速度快。 主轴铣头由变频器控制,根据刀具及工件和进给量,来设置主轴合 理的转速,并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感 器和原点传感器,冷却和润滑也都有异常检测,在报警灯和人机界 面处显示报警信息由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际 位置反馈信号,随时与给定值进行比较,将两者的差值放大和变 换,驱动执行机构,以给定的速度向着消除偏差的方向运动,直到 给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结 构上比开环进给系统复杂,成本也高,对环境室温要求严。设计和 调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度, 更快的速度,驱动功率更大的特性指标。早期使用一般电机作为定 位控制,由于速度不快、或者精度要求不高,所以足够应对所需场 合。当机械运转为了获取效率而将速度加快时,凯发游戏娱乐官网当产品质量、精度 要求越来越高时,电机停止位置的控制就不是一般电机所能达到的 了。解决这一问题的最佳方法是采用 NC 定位控制配合步进或伺服电 机作定位控制。但在过去,由于它的价格很高,而限制了它使用的 普遍性,近年来由于技术的发展及成本的降低,其价位已被用户所 接受,使用数量也越来越多。为配合这一趋势,永宏 PLC FBs 系列 将目前市面上专用的 NC 定位控制器功能整合在 PLC 内部 SoC 芯片 内,除了免掉 PLC 与专用 NC 定位控制器之间复杂的数据交换与连 结程序外,更大幅降低整体成本,为用户提供一种价廉物美、简单 方便的 PLC 整合 NC 定位控制的方案。永宏 PLC FBs-44MN 内部的 So C 芯片含有多轴高速脉冲输出以及高速硬件计数器,并且提供简易 使用和设计的定位程序编辑,对于这方面的应用,更是如虎添翼、 如鱼得水、得心应手了。PLC 结合伺服驱动器所构成的 NC 闭环回路 控制系统中,PLC 负责发送高速脉冲命令给伺服驱动器,除了装在 伺服电机的位移检测信号直接反馈到伺服驱动器外,外加位移检测 器装在传动机构之后,真正反映实际位移量,并将此信号反馈到 PL C 内部的高速硬件计数器,这样就可作更精确的控制,并且可避免 上述半闭环回路的缺点。永宏 PLC FBs 系列的定位功能将市面上专 用 NC 定位控制器整合在 PLC 内,使 PLC 与 NC 控制器能共享相同的 数据区,而不需要作两个系统之间的数据交换与同步控制等复杂的 工作,但仍可用一般常用的 NC 定位控制指令(例如 DRV、SPD… 等。PLC 控制 4 轴的定位工作,并可作多轴同动控制,除了提供点 对点的定位速度控制,还提供了各轴间直线插补功能。当系统应用 超过 4 轴时还可利用永宏 PLC 的 CPU LINK 功能达到更多的定位运动 控制。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括:定位速度和轮廓切 削进给速度。定位精度和轮廓切削精度。精加工的表面粗糙度。在 外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态 特性。对闭环系统来说,总希望系统有较高的动态精度,即当系统 有一个较小的位置误差时,机床移动部件会迅速反应。在数控机床 的加工中,伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动,要求进给 驱动具有足够宽的调速范围。 单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服 系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要 求,高速度固然能提高生产率,但对驱动要求也就更高。此外,从 系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题,尤其是在计算机控制 系统中,必须考虑软件处理的时间是否足够。全闭环伺服系统是将 位置检测元件置于被测坐标轴的终端移动部件上,以检测机械传动 链中螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差,并进行反馈补 偿控制,从而提高机床的位置控制精度。在全闭环伺服控制系统 中,对位置检测元件和反馈元件的选择很关键。感应同步器具有精 度高、重复性好、抗干扰能力强,耐油耐污及维护简单等优点,特 别适合于高精度全闭环数控机床的工作场合。数控机床要求具备稳 定性、快速性和准确性,而大型数控机床的机械传动装置转动惯量 较大,固有频率低,要使其大大高于系统截止频率很困难,全闭环 包括了该进给系统轴几乎所有不稳定的非线性因素,调整不当很容 易使机床产生抖动现象。 因此数控机床全闭环伺服系统在保证快速性的基础上主要是解决机 床进给运动的稳定性而获得比半闭环伺服系统高的位置精度。伺服 电机的编码器将位移检测信号反馈到伺服驱动器,驱动器将输入信 号的脉冲频率和脉冲数与回馈信号的频率和脉冲数,经内部的偏差 计数器与频率转电压电路处理后,得到脉冲偏差值与转速误差值, 这样使控制伺服电机实现高速、精密的速度与位置闭环回路处理系 统。伺服电机的转速与输入信号的脉冲频率成正比,而电机的移动 量则由脉冲数决定。图 4 是 PLC 控制下的伺服电机工作示意图。 Em xvxOtOco 图 4 数控机床伺服电机工作示意图 4.2 相关程序设计与操作 PLC 通过编程器输入程序,达到控制目的。由于 PLC 工作过程是循 环,所以程序执行速度很快。另外软件故障检测设计在采用硬件设 计的基础上采用软件检测外部行程开关状态,当行程开关失灵后, 通过程序控制停止机床的运行,有效地减少了机床因元件失灵造成 的事故。 图 5 是使用编程软件 WinProladder 编辑定位程序参数设定指令图, 图 6 是具体操作加工程序图。 SixE2yXPq5 图 5 定位程序参数设定指令图 图 6 加工程序图 写在最后,我国是一个机床生产和应用大国,但数控技术的应 用水平还不高,严重制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关 开发计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战,同时也带来 了机遇。只有选择合适的 PLC 才能使定位达到预期的效果。永宏 FBs 系列 PLC 的 NC 定位功能在机床数控系统设计中占有重要的地 位,该机床经过长期运行表明,整个系统设计合理,控制精度高, 运行可靠,提高了生产的自动化水平,减小了操作人员的劳动强 度。6ewMyirQFL 结束语 在论文完成之际,我要感谢所有关心我的老师和同学。感谢他 们长期以来对我的支持 、帮助和鼓励,使我大专阶段的学习和生活 变得充实、积极而有意义。kavU42VRUs 首先,感谢尊敬的指导老师,感谢老师在百忙之中抽出时间对 我的毕业设计进行精心指导,在我的成绩中,有您的指导,有您辛 勤的汗水,研究工作自始自终都得到了老师的亲切关怀和悉心指 导。在这几年的学习和生活中,老师给予了我无微不至的关心、帮 助和支持。老师严谨的治学态度、勤奋的工作精神、对事业孜孜不 倦的专研精神深深影响着我,并将使我受益终生。y6v3ALoS89 最后,感谢机械系这个温暖集体中所有的老师和同学,在这五 年的大专生活中,他们给我的无私帮助和深深的友情使我的学业生 涯变得绚烂多姿!M2ub6vSTnP 参考文献 [1] 王也仿,可编程控制器应用技术,机械工业出版社,2001 [2] 王永华,现代电气及可编程控制技术,北京航空航天大学出版 社,2002 [3] 方承远, 工厂电气控制技术(第三版,机械工业出版社,2006 [4] 龚运新,三菱 PLC 实用技术教程,北京师范大学,2007 [5] 蔡红斌,电气与 PLC 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